مقدمه:

صد سال قبل از این زمانی که هنوز فیزیک به درستی با نیوتن و قوانینش شناخته می شد و هیچ کس به فکر کاستی های مکانیک نیوتنی نیفتاده بود ، آلبرت انیشتین در مقاله ای تحت عنوان « درباره الکترو دینامیک اجسام متحرک» چنین نوشت: « هیچ یک از ویژگیهای واقعیتهای مشاهده شده با مفهوم سکون مطلق ارتباط ندارند، ...برای تمام دستگاههائی که معادلات مکانیک در آنها بر قراراند ، معادلات الکترودینامیکی و اپتیکی نیز در آنها برقرار خواهد بود...بر این اساس اینشتین دو فرض اساسی بسیار مهم اما ساده کرد که به جرات می توان گفت: این دو فرض ضمن اینکه برای بیان یک نظریه ساده و سازگار الکترو دینامیک اجسام متحرک ، بر پایه نظریه ماکسول برای اجسام ساکن ، کاملاً کافی اند ،دنیای فیزیک را نیز دگرگون کردند .

فرض های انیشتین که بعدها اصل نسبیت انیشتین نامیده شد ، نسبت به فرض های نیوتن(اصل نسبیت نیوتنی) این رجحان را دارند که فراتر از قوانین مکانیک ، تمام قوانین فیزیک را نیز در بر می گیرند.

انیشتین فرض های خود را این گونه بیان کرد:

1 - قوانین فیزیک در تمام دستگاههای لخت یکسان هستند و هیچ دستگاه لخت مرجحی وجود ندارد ( اصل نسبیت ).

2 - در فضای تهی مقدار سرعت نور در تمام دستگاههای لخت یکسان و برابر با C است ( اصل ثابت بودن سرعت نور).

در حقیقت اصل نسبیت انیشتین اعتقاد به این موضوع دارد که ما فقط از حرکت نسبی دو دستگاه می توانیم صحبت کنیم و به هیچ عنوان نمی توانیم به وسیله اندازه گیریهای فیزیکی بگوئیم یک دستگاه لخت به خودی خود ساکن است یا متحرّک.

تئوری نسبیت خاص انیشتین پیشگوئیهای مختلفی می کند که حقیقتاً برخی از آنها در جهت مقابل مشاهده های ما و به عبارت دیگر تصورات اولیه ی ما از آنچه به وقوع می پیوندد می باشد توجه به این نکته بسیار مهم است که این پیشگوئیها با چارچوبهای مرجع مختلف ثابت و متحرک با سرعت نسبی V در ارتباطند و نیز در نسبیت تنها زمانی نتایج را قابل قبول می دانیم که سرعت V یک کسر متعارف از C سرعت نور باشد. ( به عبارت دیگر V/C برای ما تعریف شده باشد ).

دو پیشگوئی اساسی و مهم که انیشتین با نسبیت خاص می کند یکی انقباض طول و دیگری تاخیر زمان است.

همان طور که از گذشته می دانیم انقباض طول به نتیجه ی اندازه گیری یک جسم در دو چارچوب مختلف اشاره دارد ، اگر در چارچوب مرجع ثابت طول اندازه گیری شده باشد ، در چارچوب دیگری که نسبت به چارچوب مرجع اولیه حرکت دارد طول منقبض شده به نظر می رسد ، و یا به عبارتی دیگر حرکت جسم در طول حرکت نسبی اش منقبض شده به نظر می رسد .

تاخیر زمانی نیز به این واقعیت مهم اشاره دارد که زمان بین رویدادهائی که در موقعیت های یکسان از چارچوب اندازه گیری ثابت هستند کوتاهتر از زمانی است که به وسیله یک ناظر در چارچوب متحرک با سرعت Vاندازه گیری می شود ، به عبارتی دیگر این طور گفته می شود که به نظر می رسد ساعتها کندتر کار می کنند .

در اصل یکی از مهمترین این نتیجه ها نسبی بودن همزمانی است که می توان گفت این مطلب تعبیر دیگری از تاخیر زمانی است و به این صورت توضیح داده می شود که اگرچه ممکن است از دید یک ناظر در یک چارچوب مرجع دو رویداد در دو مکان متفاوت کاملاً همزمان باشند اما از دید ناظر دیگر که در چارچوب مرجع دیگری قرار گرفته است این اندازه گیری به صورت همزمان نیست و این طور بیان می کنیم که همزمانی نیز یک مفهوم نسبی است .

از آنجا که انقباض طول و تاخیر زمانی از مهمترین مسائل در فیزیک نسبیت هستند به تفسیر و حل یکی از مهمترین مسائل در این مورد می پردازیم :

مساله از این قرار است : قهرمان پرش با نیزه ای را تصور می کنیم ،( به خاطر داشته باشیم که یکی از مهمترین مسائل در پرش با نیزه ، طول خود نیزه می باشد ) قهرمان را A می نامیم ، او طول نیزه خود را lo اندازه می گیرد که ما این طول را طول اولیه یا طول صحیح نیزه می نامیم و توجه می کنیم که A با سرعت نسبی V در حال حرکت است . حال اگر ما یک فرد تماشاچی را در جایگاه در نظر بگیریم و او را B بنامیم و از او بخواهیم در دستگاهی که وی قرار دارد طول میله را اندازه بگیرد ، Bبا توجه به اینکه می بیند قهرمان با سرعت بسیار زیاد می دود به گونه ای که برای وی سرعت نسبی در نظر می گیرد ، این طول را l اندازه خواهد گرفت که پس از مقایسه مشاهده خواهیم کرد که l از دید B کوچکتر از loاز دید Aاست.

l < lo

در حقیقت اگر فرض کنیم که میله دوم قهرمان( که همانند میله اول است) در کنار تماشاچی افتاده است تماشاچی طول این میله را بزرگتر از طول میله ای که در دست A است اندازه گیری می کند ، بنابراین B تصمیم می گیرد این مطلب را به کمیته فنی مسابقات اعلام کند و آنها هم این مطلب را به A ارجاع می دهند و مباحثه سختی بین A وB در می گیرد ، A از B می خواهد که این مساله را به وی اثبات کند .

برای اثبات این مدعی تماشاچی در صدد ساختن اتاقکی به طول l که کوتاهتر از lo بوده و وی اندازه گرفته بود بر می آید . او برای این اتاقک از پشت و جلو درب می سازد و از A میخواهد که با میله کوتاه شده ای که در دست دارد با سرعت به داخل این ساختمان داخل شود B هر دو درب را می بندد در حالیکه میله A کاملاً در داخل اتاقک قرار گرفته است ( البتّه تاکید کنیم که این مساله به خاطر سرعت قهرمان A که از یک طرف داخل و از طرف دیگر خارج می شود فقط برای یک لحظه است) اما در هر حال تماشاچی ادعای خود مبنی بر اینکه طول میله کوتاه شده است را ثابت کرده است.

به نظر شما آیا B درست می گوید؟

A این نظریه را باز هم قبول نمی کند و به B می گوید موقعی که میله من از درب جلو وارد انبار شده شما درب پشتی را بسته اید ، پس همواره میله من بلندتر خواهد بود.

از آنجائی که یکی از معروفترین آزمایشها در این گونه مسائل استفاده از لامپ های فلش زن است،

B در فکر ترتیب آزمایشی دیگر به این ترتیب بر می آید:

B می گوید که برای بر طرف شدن این فکر این بار از چراغ های فلش زن استفاده کنیم . طرز کار این چراغ ها به این صورت است که با بسته شدن درب ها این چراغ ها که بر روی درب های جلو و عقب نصب شده است ، روشن می شود . با این توضیحات B از A می خواهد که بار دیگر با سرعت وارد اتاقک شود تا هر دو نتیجه مشاهدات خود را گزارش کنند .

B این طور گزارش می کند :

هر دو چراغ فلش زن رو به درب های جلوئی و پشتی همزمان با هم روشن می شوند و نتیجه این که طول میله کوتاه شده است .

و اما آنچه A گزارش می کند به ترتیب زیر است :

هنگامی که میله من از درب جلو وارد انبار شده چراغی که روی درب پشتی نصب شده بود زودتر روشن شد .

به نظر شما این اختلاف نظرها از کجا ناشی می شود ؟ به عبارت دیگر آیا یکی از این دو نفر اشتباه می کنند ؟ و کدام یک ؟

بیائید این موضوع را بیشتر تفسیر کنیم :



گفته تماشا چی (B) صحت دارد زیرا او این دو رویداد را کاملاً همزمان مشاهده می کند ، در عین حال گفته قهرمان A هم صحیح است ، به این علت که در چارچوب اندازه گیری وی که در حال حرکت با سرعت نسبی V است همزمانی مفهومی نسبی پیدا می کند .

شاید بزرگترین اشتباهی که ما در مسائل نسبیت می کنیم عدم توجه به مسائلی از قبیل نسبی بودن سرعت ، نسبی بودن همزمانی و ... است . در حقیقت اگر بخواهیم از تعریف انقباض طول هم استفاده کنیم ، می بینیم ناظری که در حال حرکت با سرعت نسبی V نسبت به ناظر در دستگاه دیگراست ، امّا در دستگاه خود حرکتش نسبت به میله با سرعت نسبی همراه نیست با توجه به مساله تاخیر زمانی طول میله را بزرگتر از ناظر در دستگاه دیگر می بیند . یکی از بهترین نمایش های کلی برای مسائل نسبیت ، رسم نمودار مکان- زمان می باشد . که در زیر این نمودار را برای هر دو ناظر رسم می کنیم :

در این نمودار خطوط نقطه چین نمایش گر دید ناظرهاست هنگامی که از لامپهای فلش زن استفاده شد ، خطوط کم رنگ نمایش گر دید ناظرهاست هنگامی که قهرمان با سرعت داخل اطاقک ساخته شده شد و خطوط پررنگ نمایش گر دید ناظرها در لحظه اول می باشد .